建筑结构CAD01

建筑结构CAD周继凯河海大学土木工程学院第一章建筑结构CAD应用概况和发展1.1概述计算机辅助设计(CAD，ComputerAidedDesign)八十年代以来最引人注目的计算机应用技术计算机具备强大的计算功能和高效灵活的图形处理能力。计算机辅助设计帮助工程设计人员进行工程设计和产品设计与开发，以达到缩短设计周期、提高设计质量、降低成本、提高市场竞争力的一门先进技术。计算机辅助结构分析，使设计者轻易地得到结构的各种设计数据，然而面对成堆的数据，设计者仍然摆脱不了繁重的绘图劳动。CAD技术的发展使得计算机辅助绘图成为现实。它不仅可以减轻绘图工作量，而且更利于充分发挥计算机的优点——易于绘制和修改图形。传统的设计，在设计方法上最具有代表性的为迭代法，包括：a.初始设计b.分析c.再设计初始设计分析产生最终设计设计不成立改变设计YNYN设计能否改变设计满足要求?图1。1传统设计流程图传统结构设计主要依靠专业设计人员本身的脑力劳动。复杂的结构体系出现，单凭专业人员的脑力劳动，其效率是相当低的。而错误不可避免会产生的，要发现一项人为错误有时需要花费大量的时间。人为的错误往往被疏忽而造成工程设计事故。缺陷和弱点十分明显，也越来越不适应现代工业化生产的需要。主要问题在于：●设计周期长●设计效率低●设计质量差●人才浪费●设计方案少，优化含量低，缺乏竞争力传统设计方法随着电子计算机技术的飞速发展而出现的计算机辅助设计标志着一种现代工程设计方法的萌生。计算机辅助设计系统是现代工程设计方法的特征之一。现代设计方法现代工程设计以人工智能为出发点，以包括先进设计计算理论设计方法设计技术的专家系统为基础，以电子计算机为工具的一项智能工程。建筑结构计算机辅助设计系统由软件系统与硬件系统两大部分组成。软件系统包括程序控制系统、数据输入系统以及设计、计算机图纸生成。硬件系统包括计算机、信息输入设备与输出设备。计算机辅助设计（CAD），非仅仅用来辅助绘图，重要性在于分析、优化、检验、修改等工作设计各重要过程和环节中。尽可能利用计算机去完成那些重复性高、劳动量大的工作，以及某些单纯依靠人难以完成的工作，使工程师们有更多的时间和精力来进行创造性的工作。当工程CAD发展进入集成化阶段，设计者所需做的将仅仅是拟定设计参数，对设计结果进行评判，以及确定设计是否合理、成败与否。计算机辅助设计的优点：●缩短设计周期●易于修改，降低成本，节省人力物力，提高质量●易于建立标准图与标准设计库●使结构优化由理论探讨逐渐走向工程实用用户结束满意？分析优化计算绘图查资料满意？构思修改设计人员输入信息计算机辅助设计部分图1。2计算机辅助设计方法流程图NYNYCAD作为一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及众多学科的高新技术领域，如：计算机硬件技术工程设计知识和方法计算数学、计算力学计算机图形学数据结构和数据库人工智能及专家系统仿真技术等。CAD技术这门崭新技术已广泛渗透和普及于：机械制造、航空、船舶、汽车、土木工程、电子、轻工、纺织服装、大规模集成电路以及环境保护、城市规划等许多行业。成为代表与衡量一个国家科技与工业现代化水平的一个重要标志，已经并将进一步给人类带来巨大利益和影响。CAD历程起源于20世纪50年代初期。美国麻省理工学院(MIT)研制开发出了数控自动铣床，随后又完成了用于数控的APT语言，从此开始了对CAD技术的研究。1.2CAD的发展历史50年代末，在数控铣床的基础上，美国GERBER公司研制出平板式绘图仪。美国CALCOMP公司则制成了滚筒式绘图仪。这就为CAD技术的实现提供了最基本的物质条件。MIT的研究人员当时提出了CAD技术的三个研究目标：①实现人机的交互式对话；②以图形为媒介实现人机对话；③实现计算机辅助模拟。1963年美国麻省理工学院林肯实验室的I.E.Sutherland开发成功了sketchpad系统，该系统将图形显示器、键盘、光笔等设备连接在计算机上，使设计者可以和计算机进行对话，对在显示器上显示的图形进行交互式处理，初步实现了前述的三个目标，标志着CAD技术的诞生。1964年美国通用汽车公司开发出DAC—1系统，并将它用于汽车设计，第一个实现了CAD技术在工程设计中的应用。在此后的30年里，随着超大规模集成电路、光栅图形显示器等计算机技术的高度发展，计算机及各种外部设备性能价格比的不断提升和有关图形处理软件的成熟，CAD技术随之经历了一个快速发展的历程。可以把CAD技术发展分成四个阶段：(1)第一阶段，60年代初期～60年代末期。这个阶段的CAD系统以使用大型通用机(晶体管电路为主)和刷新式图形显示器为基本标志。这个时期的CAD系统价格昂贵，性能简单，全世界只有少数大企业研制或拥有大约200套CAD系统，主要应用于航空和汽车制造业。(2)第二阶段，60年代末期～70年代末期。60年代末，美国DEC公司开始生产出价格相当低廉的小型机。光笔、图形输入板等各种形式的图形输入设备也投入应用，使得CAD系统的价格大幅度下降，促使CAD技术有可能得到快速发展和推广。Applicon公司、ComputerVision公司、Calma公司等推出了被称为TurnKey的图形处理系统后，交互式图已是较容易的事了。此时商品化CAD系统在中小企业中开始应用与推广。(3)第三阶段，80年代90年代初期。在此时期出现了廉价的固体电路随机存储器，产生逼真图形的光栅扫描显示器、鼠标器、静电式绘图仪,伴随着超大规模集成电路技术的进步，微型机、超级微型机和图形工作站得到普及使用，商品化图形系统也获得迅速发展.使CAD技术从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计。标志着CAD技术进入了实用期。CAD技术只能称得上是计算机辅助绘图(ComputerAidedDrawing)，对于达到MIT所提出的第三个目标，模拟人在以往的产品或工程设计的整个过程的所有工作，仍然是一项长期而艰巨的任务，有许多技术困难需要深入研究。(4)第四阶段，即从90年代中期至今。当前计算机技术正以前所未有的速度飞跃发展，以Intel公司芯片技术为代表的硬件革命，为CAD技术的创新提供了更加强大的实现手段。计算机辅助设计作为一项多学科交叉、渗透的高科技发展产物，目前正向着集成化、协同化、智能化的方向发展，在新世纪里必将产生巨大的变革。我国括CAD技术的研究、开发也起步较晚。自60年代末期，最早在航空、造船和汽车行业开始了对CAD技术的研究和开发工作，初期阶段主要是引进国外的一些CAD系统，对CAD技术作原理和算法上的研究。开发出一批实验性系统，取得—些应用性成果，CAD技术也向更多的行业领域扩散。形成了我国自己的CAD技术研究队伍。1.3CAD技术在我国建筑业的应用及现状土木建筑行业是较早应用CAD技术的行业之一。在北京火车站候车大厅的薄壳屋顶工程设计中，首次采用电子计算机进行结构计算，大大加快了设计进度，开创了我国建筑结构设计工作电脑化的新篇章。1959年，原建工部建筑科学研究院正式建立电算所，开始了建筑结构分析方面的应用，并编制了一些薄壳结构实用计算程序。由于种种原因，发展不快，而且应用范围在相当长的时期内仅仅局限于结构计算。20世纪70年代之前，工程设计及科研使用国产计算机(如TQl6，709机等）来完成数值计算与结构分析，机器体积大、速度慢、容量小且价格昂贵，采用纸带穿，使用十分不便。由于价格昂贵，全国只有少数几家大型国防和工业与民用设计院才有条件拥有这样的计算机开展CAD应用工作，而且实用软件数量相当有限。从70年代开始，计算机在我国建筑业中的应用有了较大幅度的发展，由结构计算和分析，逐步发展到建筑物理、空气调节、地基基础、结构抗震、勘察测量和建筑施工管理等方面。进入80年代，先后从美国、日本等国引进多类CAD系统。在消化吸收的基础上进行二次开发，进行大量的专业扩充．有针对性地将其改造发展成为一个适应我国国情和设计规范要求的CAD系统。建筑结构CAD技术的发展产生重大变革的一个突出特点是微型计算机异军突起。1981年IBM推出第一台PC机，使得专业人员可以直接上微机操作。微机CAD有如下优点：(1)价格低廉。(2)有较强的实用性。(3)性能稳定，维护简易。(4)易学易用。建筑结构CAD发生重大变革的另一个显著特点就是软件系统中图形处理功能日臻完善。80年代后期，具有图形前后处理功能的结构设计软件开始进入实用阶段。目前前处理广泛采用了人机图形交互输入数据，后处理可将计算设计结果以图形方式输出(如变形图、内力图、振形图等)，直至自动生成完整的施工图。经过十几年的开发研制，目前我国已有多种商品化应用软件(如PKPM，TBSA，TUS，ABDS，PIEMCAD，SACB，MSTCAD，3D3S等)在设计部门得到广泛应用。随着计算机容量、速度、显示分辨率等硬件性能的提高以及国外的图形支撑软件的引进，继结构设计CAD技术的率先成功之后，建筑及设备专业技术也日益成熟。目前国产软件如HOUSE建筑CAD软件包、ABD建筑绘图软件、天正图软件，以及国外引进的先进软件如AutoCAD，3DStudio，3DMAX，Photoshop，CorelDraw建筑设计中广泛使用。工程设计行业计算机应用环境、应用水平得到了很大的提高。CAD的应用基本上覆盖了勘察设计的全过程，从而CAD应用技术的普及和提高，各种类建筑应用软件相应的功能也由原来的单纯数值计算扩展到生成施工图。这种以施工图为应用软件最终成果的建筑CAD系统的出现，使得建筑设计领域发生了一场革命。甩掉图板做设计终于变成现实。1.4国内流行CAD结构应用软件概览目前国内流行的软件基本上是由我国建筑科研机构、大中型设计院和高等院校自主开发或二次开发后推出的以AutoCAD为图形支撑平台，是我国建筑工程CAD软件的主流。国外一些大型CAD应用软件正通过汉化、采用中国规范等方式，在中国市场上独家或通过代理商推出他们的商品软件。表1—1所列为目前市场上已推出的应用软件的概况。结构CAD按专业分类有：1．上部结构：(1)砖混结构(2)排架结构(3)框架结构(4)框剪、剪力墙结构(5)钢结构2．基础类：(6)勘探(7)支护(8)地基处理(9)基础设计（独立、条基、筏基、箱基、桩基）1.5土建行业CAD发展趋势展望21世纪，以多媒体、数据库、网络、可视化、虚拟现实等技术为代表的人一计算机交互理论和技术将渗透到土木工程领域的各个方面，使得传统的工作模式、表达方法、思维形式、管理方式都将出现革命化的变化，有力地推动生产力的迅猛发展。1.5.1集成化、协同化、智能化的发展方向集成化技术是指在工程设计阶段和各专业的有关应用程序之间，信息提取、交换、共享和处理的集成，即信息流的整体化，将设计的各阶段及涉及的各专业有机的形成一个整体。协同技术是指在集成的基础上，在网络技术的支持下，实现并行工程处理作业。以工程项目为核心，使不同地点的设计专业群体能及时地共享图形库、数据库、材料库及一切上网资源。智能化技术即把具有学习、记忆和推理功能的专家系统运用于CAD系统，使系统的性能得到更大的改善，可靠性进一步提高，灵活性更大，能够适应干变万化的工程设计的实际需要。图1-2智能化的计算机辅助设计系统1.5.2当前若干需要开展的工作1．加强软件市场的管理，规范市场行为，促进软件产业的形成2．软件企业导入ISO90003．制定工程设计CAD标准体系4．发挥行业主管部门的指导作用5．实现软件模块化，一次建模，接力运行，一条龙完成6．网络化、多媒体化是CAD软件的发展趋势